Notre connaissance de l'univers a progressé à une vitesse inimaginable au cours des 100 dernières années. Aujourd'hui, les scientifiques disposent de sondes spatiales et de télescopes performants qui leur permettent d'appréhender les profondeurs de l'univers.
Ils utilisent toutes les gammes de rayonnements électromagnétiques, des ondes radio aux rayons gamma à haute énergie. En effet, chaque gamme spectrale ouvre sa propre fenêtre sur l'espace. Des superordinateurs analysent les énormes quantités de données. On peut ainsi étudier les phénomènes cosmiques de toutes sortes avec une précision sans précédent. En 2015, les possibilités d'analyse ont été complétées par une autre méthode, totalement nouvelle : désormais, les scientifiques sur Terre peuvent également mesurer les ondes gravitationnelles, et donc étudier des événements astronomiques pour lesquels il n'existait auparavant aucune méthode de mesure.
Espace virtuel
Pour la simulation la plus vaste et la plus détaillée des processus de formation de l'univers à ce jour, IllustrisTNG, les chercheurs « alimentent » l'ordinateur ultra-performant Hazel Hen à Stuttgart avec des données provenant de l'état initial du cosmos. Le superordinateur calcule ensuite l'évolution de l'univers sur plus de 13 milliards d'années. Cela nécessite 16 000 cœurs de processeur, qui travaillent 24 heures sur 24 pendant plus d'un an : converti à l'échelle d'un seul PC moderne, cela correspond à un temps de calcul de 15 000 ans. Sous une forme et avec une précision uniques jusqu'à présent, la simulation montre aux chercheurs les interrelations à grande échelle dans l'univers, mais aussi des détails comme les flux de gaz dans les galaxies.
Matière noire et énergie noire
Seule une très petite partie de l'univers est constituée d'étoiles, de planètes et d'autres corps célestes que nous pouvons observer. Le reste (environ 95 %) est constitué de matière noire et d'énergie noire.
La matière noire n'est pas visible, mais elle se fait sentir par sa gravité. Si la matière noire n'existait pas, la matière visible dans l'espace devrait se comporter différemment. Par exemple, des galaxies comme notre Voie lactée devraient alors se disséminer. L'énergie noire est le nom d'un effet que les astronomes utilisent pour expliquer l'expansion accélérée de l'univers. En raison de l'attraction mutuelle des masses, l'univers devrait normalement ralentir son expansion. Mais c'est le contraire que l'on mesure : l'univers s'étend de plus en plus vite ! Cela ne peut s'expliquer que si l'univers est composé d'environ 70 % d'énergie noire.
Des ondes gravitationnelles sont générées dans l'espace en permanence. Cependant, on ne peut les mesurer sur Terre que lorsque de très grandes masses se déplacent très rapidement, par exemple lorsque deux trous noirs fusionnent. C'est exactement ce qui a été mesuré en septembre 2015. Pour cela, il faut des instruments de mesure très sensibles : les deux interféromètres géants qui ont capté les signaux sont situés aux États-Unis. Mais une grande partie de la technologie de haute précision qui entre dans la fabrication de ces instruments de mesure, ainsi que de nombreux programmes d'évaluation, provient d'Allemagne, de l'Institut de physique gravitationnelle Max Planck à Potsdam et Hanovre.
Galaxies
Les galaxies sont des « îles-mondes » dans la mer infinie du cosmos. Les étoiles, les systèmes planétaires, les nuages de poussière, les nébuleuses de gaz et la matière noire s'y rassemblent. Elles conservent leur cohésion grâce à la gravité. Les galaxies ont des structures différentes, qui vont de simples ellipses à des spirales très complexes avec des « bras » définis comme notre Voie lactée. Plusieurs galaxies finissent par se rassembler pour former des groupes et des amas de différentes tailles. Les plus grands de ces amas contiennent plusieurs milliers de galaxies.
Dans une explosion de supernova, une grande partie de l'étoile est convertie en énergie et rayonnée en une seule fois. Il reste ensuite une étoile à neutrons ou un trou noir. Une supernova est particulièrement impressionnante lorsqu'une étoile massive dite géante, par exemple une géante rouge, a épuisé son combustible. Elle s'effondre sous sa propre gravité, libérant d'énormes quantités d'énergie. La supernova peut alors briller plus fort que toute la galaxie dans laquelle elle se trouve pendant un certain temps.